Хлопкин Морская атомная енергетика 2007

•состояние систем безопасности (системы аварийной подпитки первого и второго контуров, системы снижения давления в реакторной и аппаратной выгородках);

•давление, температура и активность среды в выгородках;

•состояние критичности реактора (нейтронный поток, положение органов регулирования реактивности).

25.5.Безопасность в экстремальных условиях

Вразличных аварийных ситуациях на корабле, судне или наземной атомной станции реакторная установка является главным потенциальным источником опасности. Причина этому – очень высокая концентрация энергии, большой запас радиоактивных нуклидов, выход которых за пределы реакторного отсека создает угрозу для экипажа, населения, окружающей среды. Поэтому при возникновении большинства аварий реактор глушится в первую очередь, принимаются меры к его расхолаживанию, чтобы сохранить герметичность по крайней мере хоть одного барьера – твэлов, первого контура, защитной выгородки или контейнмента.

Но в отличие от атомных станций реакторная установка на борту корабля или судна в море имеет еще одно очень важное назначение. Как наиболее мощный источник энергии она является средством спасения корабля, судна в экстремальных условиях от гибели в шторм, от посадки на мель или выбросе на скалы; средством,

позволяющим предотвратить столкновение с другим кораблем. Частота подобных ситуаций довольно велика – более 10-3 на судно

вгод.

Вкодексе безопасности морских судов Международной морской организации это сформулировано следующим образом. Для безопасности судна может оказаться необходимой работа ЯЭУ в течение таких периодов, когда с точки зрения безопасности только ЯЭУ выработку энергии следовало бы уменьшить или прекратить. Решение о продолжении работы в таких условиях должно приниматься только после надлежащего учета потенциальной радиационной опасности для экипажа, населения и окружающей среды.

Цели действий существенно различаются при нахождении корабля на базе или в море.

191

Впервом случае наиболее эффективным средством управления процессами в ходе аварии является глушение реактора с подключением хотя бы одного любого канала аварийного расхолаживания, одного канала подпитки и проливки при разгерметизации первого контура, а также использование базовых средств для борьбы с процессами аварии.

Во втором случае первым средством управления процессами в ходе аварии служит снижение мощности реактора до уровня, обеспечивающего ход и маневренность корабля с удержанием соответствующих параметров теплоносителя, и подготовка к задействованию каналов расхолаживания, подпитки и проливки. Снабжение энергией корабля в этих случаях является непременным условием.

Кглушению реактора следует приступить, когда отпадет потребность в энергии для спасения корабля.

Вэкстремальных условиях для спасения корабля или при ведении боевых действий с разрешения командира допускается работа реактора и за пределами нормальных эксплуатационных условий:

при превышении спецификационных давлений и температур

вплоть до предельных 22,5 МПа и 350 °С; при отказах органов регулирования (отдельных компенсирую-

щих групп, стержней аварийной защиты); при отказах ряда другого оборудования; при течах первого контура.

Гибель корабля или судна имеет более серьезные последствия, чем выход из строя реактора. Безопасность корабля прежде всего.

Аварийные ситуации в других отсеках корабля требуют энергии для обеспечения жизнедеятельности, откачки воды, освещения, вентиляции, работы противопожарных средств. И в этих аварийных условиях реактор должен работать максимально возможное время, а не глушиться в первую очередь, как это часто бывало. На затонувших отечественных подводных лодках не реактор являлся первопричиной аварии, но о нем заботились в первую очередь, так как и остановка его, и расхолаживание зависели от состояния ряда других отсеков, в том числе и аварийных. В этом была своя логика.

Новый подход к реакторному отсеку, практически реализованный на ряде проектов третьего поколения подводных лодок, заключается в превращении реакторного отсека в своего рода остров, где защитные действия по обеспечению глушения реактора и его

192

расхолаживания осуществляются независимо от состояния других отсеков.

Но если такая возможность создана, то энергия реактора всегда может быть использована при аварии в других отсеках корабля в течение максимального времени – для откачки воды, вентиляции отсеков, в конечном счете для предотвращения гибели людей.

Личный состав должен знать, что в аварийных условиях реактор является источником энергии для снижения последствий аварий на корабле. И быть уверенным, что реактор, когда надо будет заглушен и расхоложен без использования расположенных в других отсеках даже важных для безопасности систем, не говоря уже о другом оборудовании.

Конечно, иное положение будет, если авария произошла в реакторном отсеке. В этом случае для управления процессами в ходе аварии и снижения ее последствий следует использовать все средства, имеющиеся на корабле или судне. Ибо внутри реакторного отсека трудно разместить все системы безопасности с запасами необходимых сред, в частности, запаса пресной воды. Объем реакторного отсека в этом случае неоправданно увеличится.

Критериями обеспечения безопасности являются:

•непревышение предельного значения активности теплоносителя первого контура и уровней излучения на постах управления;

•непревышение давления в первом контуре выше безопасного уровня.

25.6. Тяжелые аварии

Они происходят в случае наложения нескольких отказов оборудования и систем управления, ошибок персонала и могут иметь крупные последствия, включая гибель личного состава, радиоактивное загрязнение территорий и акваторий. Сопротивляемость тяжелым авариям и уменьшение их последствий определяет приемлемость реакторных установок для широкого их использования.

Полностью исключить возможность возникновения тяжелых аварий на флоте нельзя, как и в любой другой энергонасыщенной отрасли промышленности и транспорта. Можно лишь снизить их вероятность и уменьшить их последствия.

193

Для оценки опасности тяжелых аварий часто используют понятие риска. Понятие риска как меры опасности объединяет две категории:

•вероятность возникновения неблагоприятного события;

•объем последствий этого события.

Анализ комбинации этих двух категорий позволяет оценить уровень опасности каждого типа аварии и принимать решения о необходимых действиях по снижению риска.

Упрощенно это отражено в табл. 25.1.

Нулевой риск возможен лишь на объектах, лишенных энергии, да и то не всегда. С повышением технических сложностей объектов риск на них увеличивается. Морская деятельность и без использования атомной энергетики относится к числу опасных.

Достижение абсолютной безопасности невозможно. Поэтому надо стремиться к уменьшению риска до такой степени, которую можно было бы считать приемлемой. Риск должен быть снижен настолько, насколько это практически достижимо в рамках экономических и технических ограничений (As Low As Possible).

Риск от использования атомной энергетики должен быть ниже рисков от других причин с учетом точности его определения. Считается достаточным, если риск от применения ЯЭУ на корабле ниже на один-два порядка, чем от другого оборудования или оружия. Он не должен превышать уровня, достигнутого для сложных технических объектов подобного типа.

Расчетные оценки очень малых вероятностей не имеют убедительных и тем более опытных обоснований на базе имеющегося

194

опыта эксплуатации 10 – 15 тыс. реакторолет. Некоторые данные вероятностного анализа трудно доказать из-за отсутствия статистики. Возникает сомнение в их правильности. В этих случаях тяжелые аварии постулируются, т.е. предполагается, что их возникновение реально и необходимо принять меры, чтобы уменьшить их последствия. Даже если эти события и произойдут, то их последствия не выйдут за определенные рамки благодаря принятым мерам.

Постулирование тяжелых аварий смещает аспект их только в сторону уменьшения их последствий. Однако важны меры по снижению не только последствий, но и вероятности возникновения тяжелых аварий, чтобы риск не выходил за приемлемые пределы.

Безопасность морских установок непрерывно повышается. В результате чего значительная часть тяжелых запроектных аварий перешла в раздел проектных (например, полное обесточивание ЯЭУ)

споследствиями, не выходящими за рамки допустимых.

Внастоящее время сформировался следующий подход к тяжелым авариям:

•принять необходимые меры, чтобы свести вероятность их возникновения к предельно малой величине;

•на путях потенциального распространения радионуклидов при тяжелых авариях сохранить не менее одного барьера путем принятия технических или административных мер;

•обеспечить защиту экипажа и спасение его в случае разрушения барьеров;

•кроме наращивания систем безопасности, необходимо усилить самозащищенность реактора путем усиления отрицательных обратных связей и оптимизации конструктивных решений.

Полное обесточивание установки. Еще 15 – 20 лет назад пред-

полагалось, что можно принять такие меры по повышению надежности энергообеспечения ЯЭУ, что полное обесточивание можно исключить из рассмотрения как исходного события аварии.

Меры очень серьезные: побортное независимое энергоснабжение механизмов и систем от двух независимых трубогенераторов; дополнительное электропитание не отключаемой нагрузки от двух независимых аккумуляторных батарей (по крайней мере, от двух групп батарей) или от резервных и аварийных дизельгенераторов; исключение одновременного выхода из строя кабельной разводки.

195

Все это повысило надежность энергоснабжения. Тем не менее, обесточивание ЯЭУ случается, хотя и редко.

Полное обесточивание ППУ прекращает организованный активный отвод тепла от АЗ и оборудования первого контура. Прерывается контроль за состоянием установки с центрального пульта управления (ЦПУ). Реактор глушится стержнями аварийной защиты и компенсирующей группы (КГ), опускающимися вниз самоходом.

При остановке насосов второго и третьего контуров разогрев первого контура в течение 15 мин приводит к росту давления до 20,0 МПа. Работа ЦНПК на больших скоростях при остановке насосов третьего контура допускается в течение 1 мин, на малых скоростях – 20 мин.

Сейчас принято, что исключить полное обесточивание реакторной установки невозможно, и главным направлением работы следует считать уменьшение последствий полного обесточивания. Пример с гибелью подводной лодки «Курск» показал, что имеются реальные возможности при полном обесточивании и заглушить реактор, и снять пассивными системами типа безбатарейного расхолаживания остаточное энерговыделение в АЗ.

Затопление. Случаи затопления подводных лодок не так уж редки. Затонуло пять российских атомных подводных лодок, не считая двукратного кратковременного затопления одной и той же подводной лодки на Камчатке.

У американцев затонуло две атомные подводные лодки.

Это исходное событие выдвигает ряд требований к конструкции реакторного отсека, его защитного ограждения, к оборудованию первого контура и АЗ.

Попадание морской воды внутрь корабля приводит к коротким замыканиям в системе энергоснабжения, потере управления реактором ввиду срабатывания предохранителей сети энергоснабжения, возможны непредсказуемые замыкания в цепях электроснабжения и управления.

На малых глубинах сохраняются герметичные выгородки, постепенно заполняясь водой через неплотности. Расхолаживание обеспечивается подключаемой системой безбатарейного расхолаживания (ББР) и водой внутри реакторного отсека. На больших глубинах и герметичная выгородка, и переборки реакторного отсе-

196

ка вместе с расположенными на них трубопроводами рушатся, тепло снимается затопившей реакторный отсек водой и далее через корпус лодки забортной водой.

На американском грузопассажирском судне «Саванна» и в России на атомном лихтеровозе «Севморпуть» были предусмотрены разгрузочные клапаны, открывающиеся при достижении определенной глубины и закрывающиеся при выравнивании давления внутри защитного ограждения и моря. Они предназначены для уменьшения выхода радионуклидов в море в случае разгерметизации первого контура.

В подводных лодках усиливают переборки реакторного отсека, чтобы уменьшить вероятность проникновения морской воды внутрь его на глубинах, где давление меньше давления, разрушающего переборки. На этих глубинах сохраняется герметичность оборудования первого контура, размещенных на переборках трубопроводов, арматуры.

Но если давление в первом контуре будет ниже давления забортной воды, то разрушаются рубашки статоров ЦНПК, что выравнивает давление внутри первого контура с давлением в отсеке.

Морская вода попадает в первый контур, начинается повышение скорости коррозии оболочек твэлов, но она остается все равно небольшой ввиду низких температур воды. Проток морской воды будет небольшим, и выход радионуклидов в море приведет лишь к локальному радиоактивному загрязнению воды и грунта. При наличии даже слабых течений морской воды в месте потопления концентрация загрязнений морской воды будет трудноизмеримой. Воздействие радиоактивных нуклидов на биоту – минимальное.

Пять атомных подводных лодок (три российских и две американских) затонули на глубинах более предельно допустимых по прочности корпуса. Никакое усиление переборок не спасло бы. Но даже в этом случае при исследованиях воды и грунта многими экспедициями чрезмерного выхода радионуклидов в море не обнаружено.

Требуют обсуждения предельные величины крена и дифферента затопленного объекта. Это связано с необходимостью организации теплосъема остаточного энерговыделения.

197

Опрокидывание объекта выдвигает дополнительные требования к конструкции реактора, связанные с возможностью осушения зоны вследствие возможности появления в ней газового пузыря.

Кардинальной мерой по уменьшению последствий этих аварий служит повышение коррозионной стойкости оболочек и сердечников твэлов в морской воде.

Скорость коррозии циркониевых оболочек гораздо ниже, чем оболочек из нержавеющей стали. Но наибольшей стойкостью в морской воде обладают хромоникелиевые оболочки из сплава 42ХНМ. Применение таких оболочек тепловыделяющих элементов очень существенно снизит выход радионуклидов в море.

Дополнительной мерой является уменьшение числа труб и арматуры на переборках отсека. Важно исключить образование протока морской воды через реактор. Даже если первый контур потеряет герметичность, но останется застойной зоной, то водообмен с морем будет довольно слабым, вынос радиоактивных продуктов будет малым.

По-видимому, подобное явление произошло при затоплении подводной лодки «Комсомолец». Вынос продуктов деления не превысил 0,1 Kи в год, что подтверждено было специальными измерениями. И уже на расстоянии 10 м от подводной лодки превышения уровня активности морской воды не обнаруживалось даже самыми чувствительными приборами (< 10 Бк/м3).

Пожар в реакторном отсеке. Пожар на объектах с атомными энергетическими установками – нередкое явление (16 % среди общего числа аварий зарубежных кораблей). Пожары довольно часто являются исходными событиями тяжелых аварий.

Вообще пожар – бич подводника. Особенно он опасен в замкнутом помещении. Малейшее короткое замыкание кабеля чревато пожаром. При горении изоляции кабеля выделяются ядовитые вещества, от которых не спасают даже противогазы. В 1967 г. возгорание в двух отсеках подводной лодки «Ленинский комсомол» привело к гибели 39 моряков. В 1972 г. при пожаре в 8-м и 9-м отсеках подводной лодки К-19 погибло 28 человек. В 1984 г. на подводной лодке К-131 при пожаре погибло 14 человек. Уцелевшие при взрыве подводники, находившиеся в кормовых отсеках, погибли от пожара.

198

Взамкнутом пространстве кислород выгорает очень быстро, дым и угарный газ распространяются через систему вентиляции очень быстро. Огонь может так полыхнуть – маску не успеешь одеть.

Пожар в других отсеках корабля вызывает многочисленные короткие замыкания в сетях электроснабжения, что приведет к обесточиванию реакторной установки.

Вреакторном отсеке минимизировано количество горючих материалов. Пожарную опасность представляют лишь изоляция кабельных трасс, красочные покрытия и в аварийных случаях – водород, который может поступать из негерметичного первого контура при высоком перегреве АЗ.

Система для получения кислорода путем диссоциации воды, регенеративные патроны не размещены в реакторном отсеке. Водород может образовываться при перегреве АЗ. При ведении ремонтных работ могут возникнуть и дополнительные обстоятельства, связанные со сваркой и внесением в отсек горючих материалов.

Из внешних причин к пожару в реакторном отсеке может привести попадание топлива вертолета, упавшего на находящуюся в надводном положении подводную лодку или корабль. Топливо в отсек может проникнуть через систему вентиляции, которая в это время, как правило, сообщена с атмосферой.

Пожар в отсеке приводит в первую очередь к оплавлению изоляции кабелей и пайки клеммных ящиков, что вызовет различные короткие замыкания и вследствие этого – отключение электроснабжения. Может произойти непредсказуемая перекладка арматуры из-за потери герметичности ее уплотнений.

Насколько все это опасно должен дать ответ анализ систем управления. Системы управления должны быть построены таким образом, чтобы перегрев отсека приводил бы к полному обесточиванию оборудования реакторной установки. Тогда реактор автоматически заглушится стержнями аварийной защиты и опусканием в АЗ под действием сил тяжести стержней компенсирующих групп.

Затем произойдет перегрев газовых баллонов, если они размещены как у ледоколов внутри реакторного отсека, и приводов органов регулирования, что вызовет разгерметизацию первого контура.

199

Вотсеке появятся пар и газ систем компенсации, и, скорее всего, пожар будет потушен.

Главными мерами по борьбе с пожарами в реакторном отсеке и уменьшению их последствий являются уменьшение количества горючих материалов в реакторном отсеке, исключение горючей краски, построение систем энергоснабжения оборудования реакторного отсека и систем управления таким образом, чтобы короткие замыкания в этих сетях приводили бы к их обесточиванию, исключение проникновения масла и водорода из других отсеков.

Целесообразно рассмотреть вопрос о замене воздуха в пневмоарматуре реакторного отсека на азот.

Столкновения. Вероятность выше для надводного судна. Известны случаи столкновения и подводных лодок, но их радиационные последствия были не очень существенными.

На надводных суднах предусмотрена конструктивная защита толщиной несколько метров с каждого борта, состоящая из набора стальных ударостойких устройств, которые предотвращают повреждение реакторного отсека. Для атомных ледоколов, имеющих мощный корпус, повреждение реакторного отсека маловероятно.

Результатом столкновения может быть образование течи первого контура. Последствия течей различной величины и меры по уменьшению их последствий рассмотрены ниже в специальном разделе.

Посадка на мель. Эта авария, как правило, сопровождается повреждением морских циркуляционных трасс и снижением уровня отвода тепла от энергетической установки в конденсаторах турбин

итеплообменниках третьего и четвертого контуров. В этом случае мощность энергетической установки снижается вплоть до остановки и глушения реактора. Возможны значительные крены и дифференты.

Вблизи поверхности возможно значительное влияние волнения моря с прогрессивным повреждением циркуляционных трасс. Может быть затруднена работа системы ББР. Источником энергии могут быть аккумуляторные батареи и дизель-генератор.

Вподводном положении вероятность посадки на мель гораздо ниже. Средства аварийного съема остаточного энерговыделения обеспечат расхолаживание реактора. Возможности турбогенераторного режима не всегда реализуются. Требуются специальные

200